麦克斯韦妖终于出现了？90年来科学家始终没搞明白这个装置的原理

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　　撰文 七君
　　1871年，英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦提出了一种看起来违反热力学第二定律（系统自发熵增）的妖怪——麦克斯韦妖。
　　麦克斯韦妖可以把气体分子按照速度分到两个不同的房间，速度快的一类，慢的一类。
　　这样以来，速度快的分子所在的那个房间的温度高，另外一个房间的温度低，而利用温差，就可以驱动热机做功，这就是一种理想中的永动机了。
　　后来，有许多物理学家证明麦克斯韦妖并没有违反热力学第二定律。但是今天，我们就来介绍一种不需要输入能量，就可以把注入的气体分成热的一波和冷的一波的神奇机械。它并不需要插电，也没有可以移动的部分，从本质上来说它就是一根管子。
　　涡流管的设计：高压空气从中央注入，热气从左边溢出，冷气从右边溢出。
　　这根管子被不少物理学家叫做麦克斯韦妖管，也叫涡流管。
　　这个涡流管看起来平平无奇，毫无妖孽之处。但是用起来之后，男人沉默，女人流泪，学生头秃，老师心碎。90年来，许许多多的物理学家试图解释它的原理，但还没有谁彻底把它的本质说清楚了。
　　市售涡流管
　　我们先来看看明尼苏达大学化学系教授 Chris Cramer 对涡流管的演示。
　　实验使用的涡流管：左边出热风，右边出冷风，左右的金属棒是温度仪。
　　在上面通入压缩气体之后，长的一端喷出了热气，温度是最高28摄氏度，短的另一端喷出了冷气，温度最低是1摄氏度。
　　注入高压气体后，涡流管左右的温差逐渐拉大，最高达到27摄氏度。
　　你可能想知道气体在涡流管内部做了什么。
　　原来，当输入的高压空气沿着长的管子向前流动时开始分层，更热的空气向外圈流动，而冷的空气在内圈流动。
　　因为热气管的末端中央有物体阻塞，这里只有热气喷出。而中心的冷空气则向相反方向回弹，从另一端喷出。输入压强越大，热风和冷风的温差也越大。
　　为了搞清楚气流在涡流管内的运动，墨西哥国立自治大学的物理学家 Porta David 等人用塑料和酒瓶塞子做了一个涡流管。
　　他们的设计和涡流管最初的设计一致——
　　他们用了5.72 个大气压、17摄氏度的气体做实验，发现两个管子喷出的气体温差有15摄氏度。
　　然后他们在气体里混入了婴儿爽身粉，真相出现了——
　　看起来，气体在涡流管内部形成了双螺旋。
　　除了这种双管双孔设计，还有单孔设计，一样能用。其实这就是一端被堵上的管子。有条件的同学可以在家试一试，测测喷出的气体是不是外层热，内层冷。
　　单孔设计的涡流管，左边注入压缩空气后，右边中央出冷气，外周出热气。图片来源：Xue, Yunpeng. The working principle of a Ranque-Hilsch vortex tube. Diss. 2013.
　　这根妖孽管子有90年的历史了。
　　1931年，法国物理学家 Georges J. Ranque 注意到涡流式分离器的中央比较凉，而外部比较热。
　　Georges J. Ranque
　　Ranque 边用奶酪杵葡萄酒，边写了一篇论文，阐述了一下他对这个现象背后原理的猜测，然后就没有然后了，因为那时的物理学家们不相信这种违反常识的现象。祸不单行，Ranque 用涡流管开的公司也倒闭了。
　　1947年，他的稿子到了德国物理学家 Rudolf Hilsch 手中， Hilsch 就开始认真地研究起来，并发了一篇超高引的文章，所以涡流管有时也被叫做 Hilsch 涡流管，没 Ranque 啥事儿了。
　　虽然涡流管的设计看起来非常简单粗暴，但是它的原理直到现在还没有被搞清楚。
　　一种简单的解释是，管子内部存在压力梯度，外圈的气体是高压，中心的是低压，由于气体压缩后温度变高的原理，两个位置的温度不同。
　　另外一种解释是，中心气体的角速度比外圈的要高，两者旋转摩擦，中心的动能通过摩擦传递给了外圈。
　　这些解释都能解释一部分现象，但不符合所有的现实。
　　就比如，1988年，威斯康星大学密尔沃基分校的物理学家 R. T. Balmer 尝试把103兆帕的水喷入市面上买的普通涡流管，发现居然水也有用诶。
　　要知道液体和气体不一样，是不可压缩的，所以液体能用上涡流管，这就吊打刚才的那个压强梯度假说了。
　　而且更奇怪的是，高压液体注入后，可以喷出两股暖流，而且一股比另一股更热。
　　注入液体后，涡流管里也会出现双螺旋。
　　用常理来思考这根管子真的会造成精神障碍：把水注入一个管道，出来两支热流，一支还比另一支更热。虽然这不可能是永动机（因为机械能被转化为了热能），但是这现象也太令人含泪了。
　　但是，搞不明白原理并不妨碍两脚兽拿来主义嘛，几十万年来咱不都是这样凑活过来的嘛。
　　涡流管给食品降温
　　现在，涡流管一般被用于具有压缩空气的场合，比如给食品厂的烘培食品，还有切割机降温。计算机数控机床也常用涡流管降温，因为涡流管不需要氟利昂等制冷剂，零件也不复杂。商用涡流管可以把温度降低71摄氏度。
　　你可能想问，既然这种不需要电力的装置能够制造冷气，为什么现在的家用制冷设备还是冰箱空调呢？
　　这主要是因为涡流管的热效不高，最大也只有30%左右，而且噪音比较大，还需要压缩空气。
　　当然，还有脑洞大的商家造了涡流管空调降温服出来，凉风管道对准身体专凉内人，热风管道向外专吹外人，据称恒温10-20摄氏度。看完这个清凉又科学的设计，一个重要的器官居然可耻地动了，心动了。
　　有百八来块钱，为什么要买原理已经被研究透的电风扇这么low，买麦克斯韦妖孽马甲不好吗。别人燥热我凉爽，别人凉爽我冻伤，麦克斯韦叔叔我可以！
　　中间进气，两端出气，这不就是中二管嘛。
　　人类还没出现前就已经世代感染这种病毒，它还可能是老年痴呆元凶
　　电影里的手枪消音器真那么神吗，消掉的枪声变成了什么？
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